肠道菌群与卒中后肺炎相关性的研究进展

隋冉冉，山要中，赵兴军，陈南南，刘凤荣，逄锦晶

急性缺血性卒中和脑出血每年影响全世界数百万人，感染是卒中后最常见的并发症，肺炎和尿路感染多见，卒中后肺炎可恶化神经系统症状并增加死亡率[1]。研究表明，预防性使用抗生素减少了整体感染，但并没有改善卒中的临床结局[2]。卒中后诱导的免疫抑制与卒中后感染密切相关，已报道的机制有交感神经系统介导的应激反应、下丘脑-垂体-肾上腺轴功能调节、免疫细胞中的炎症小体信号传导[3-5]。

卒中相关肺炎最常见的微生物是人类肠道典型的机会性细菌。肠道菌群的易位和传播是卒中后肺炎的重要原因[6]。肠道和大脑通过神经（中枢、自主、肠道神经系统）、激素（内分泌系统）、免疫（先天性和获得性免疫系统）等途径进行双向通信，这些途径被称为肠-脑轴（gut-brain axis，GBA），肠道菌群及其衍生物可通过调节GBA信号传导影响大脑功能，同时卒中也可导致肠道运动功能障碍，增加肠道屏障通透性和肠道菌群及其代谢产物易位入血液，加重炎症反应[7]。因此，肠道菌群被认为在卒中后肺炎中有重要作用。本文就肠道菌群与卒中后肺炎的相关性进行综述，以期促进卒中后肺炎靶向治疗策略的发展。

1 肠道菌群与卒中后肺炎

1.1 肠道菌群 肠道菌群是寄居于人体胃肠道内数以亿计的微生物群体，主要由细菌组成，其中98%的肠道菌归属于拟杆菌门（51%）、厚壁菌门（48%）、变形菌门和放线菌门四大细菌门，其他菌门数量相对较低[8]。肠道微生物可通过GBA调节人体的消化、代谢、免疫和神经功能，从而维持机体稳态。此外，肠道菌群是T细胞稳态的中心调节器，在免疫系统成熟中起重要作用。肠道微生物产生必需的生物活性代谢物，如短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）、亚硝酸盐、氧化三甲胺（trimethyl amine N-oxide，TMAO）、吲哚和硫化氢等，这些代谢产物可影响心脑血管系统，如SCFA具有免疫调节和神经活性特征[9-10]，可通过组蛋白乙酰化相关的表观遗传改变、细胞增殖和G蛋白耦联受体激活等多种机制调节宿主细胞的生理功能；TMAO水平增高可以增加内皮活性氧的产生，减弱内皮介导的血管舒张作用，与动脉粥样硬化型缺血性卒中、卒中后并发症呈正相关[11]。

1.2 卒中后肺炎的病原体可能源于宿主内部 既往研究显示，虽然卒中后感染的发病率很高，但识别病原体较困难。有研究成功在卒中后感染患者的血液、尿液或痰中培养出致病菌，其中有70%是人类肠道内的共生菌（肠球菌、大肠杆菌和摩氏摩根菌）[12]。为了确定卒中后感染是通过宿主（内源性）还是环境（外源性）获得的而进行的小鼠脑缺血-再灌注损伤模型研究结果显示，特定病原体设施内饲养的小鼠，使小鼠体存在该病原体（简称SPF小鼠），在卒中发作后24 h内的肺组织中培养出该病原体，且SPF小鼠的肺匀浆分析显示支气管肺泡灌洗液中细胞数量增加、肺部中性粒细胞浸润显著增加/肺水肿等肺炎的典型特征；但在出生和饲养过程中没有接触到任何活的微生物的小鼠，培养为体内细菌缺失的无菌小鼠（简称GF小鼠），在卒中发作后肺组织中未培养出细菌。提示卒中后感染可能源于宿主内部，而非环境。

1.3 肠道菌群失调加重卒中后肺炎 生理状态下，肠道菌群维持机体动态平衡，但药物、饮食、年龄、肠道动力异常及免疫功能障碍等可使肠道微生物的组成、多样性和数量发生改变，出现肠道菌群失调[13]，从而导致GBA信号传导障碍，影响肠道免疫和神经免疫状态，促发炎症反应。一项缺血性卒中小鼠模型研究显示，卒中后小鼠肺组织的微生物群增加，微生物计数增多，回肠和结肠的微生物数量明显减少，表明在肠腔内有细菌菌株的消耗或者在卒中后有细菌从肠腔内转移到肺中[14]。有研究在使用Source Tracker算法揭示卒中后小鼠肺部播撒微生物群落的可能来源时发现，卒中后小鼠肺微生物群中约50%的细菌群落来自盲肠和大肠[15]。通过16S核糖体RNA（16S rRNA）基因测序鉴定分离菌落的研究结果显示，卒中后肺组织中大肠杆菌、志贺菌、多种链球菌、乳酸杆菌、纳斯达短波单胞菌和sciuri葡萄球菌丰度显著升高，而上述菌株均是可导致严重或致命性肺炎的机会性致病菌[16-17]。

2 肠道菌群与卒中后肺炎相关性机制

2.1 肠道功能障碍与卒中后肺炎

2.1.1 卒中后肠道功能障碍 胃肠道功能障碍是脑损伤患者的常见并发症，实验大鼠创伤性脑损伤在损伤后3 h内可出现严重的黏膜萎缩和肠上皮细胞紧密连接断裂，并可持续7 d[18]。肠上皮细胞和内皮细胞通过细胞间连接复合物紧密结合在一起，细胞间连接复合物调节细胞旁通透性，对上皮细胞和内皮细胞屏障的完整性至关重要[19]。卒中可降低肠道屏障的上皮间质阻力，使上皮细胞间紧密连接间隙增大，出现肠上皮屏障功能障碍。

肠道上皮屏障的改变可使肠道内细菌或细菌产物易位，促进炎症发生[14]。在回肠中，缺血性卒中上调先天免疫应答相关基因的表达（如补体途径），下调趋化因子途径。通路分析显示缺血性卒中诱导可使补体级联反应和核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路上调，并使凋亡通路下调，提示缺血改变了上皮细胞死亡和再生之间的正常平衡。缺血不改变回肠CX3CR1+巨噬细胞的数量，但细胞类型特征基因的表达分析显示巨噬细胞相对树突状细胞的激活增加，更有利于局部固有免疫应答。总之，这些发现表明卒中后肠道屏障功能障碍加重了炎症反应。

2.1.2 交感神经调节对肠道通透性和卒中后肺炎的影响 肠黏膜高度受内源性（肠内）和外源性（交感神经和迷走神经）神经纤维支配，这些神经纤维可调节肠道功能[20]。对回肠黏膜下神经丛神经元密度的定量分析显示卒中后小鼠有显著的神经元丢失，进一步分析特异性神经元亚群（VIP+、NPY+、TH+、ChAT+和nNOS+），发现黏膜下胆碱能ChAT+细胞缺失，肾上腺素能神经元和胆碱能神经元的比值从假手术小鼠的4∶10变化到卒中后小鼠的6∶10，提示肠道黏膜下神经丛肾上腺素能和胆碱能信号转导失衡。胆碱能信号通路的减少已被证明能刺激促炎症免疫反应，而胆碱能信号通路的激活可阻止创伤性脑损伤诱导的肠道和脑血管通透性增加[21-23]。已有研究证明卒中后肾上腺素能可介导全身免疫抑制，用普萘洛尔或美托洛尔抑制β-肾上腺素能受体可恢复卒中诱导小鼠的肠道通透性，使卒中后小鼠的肺、肝和脾中检测到的细菌数量显著减少，减轻炎症反应[3]。

2.2 肠道代谢产物与卒中后肺炎 胆汁酸（bile acid，BA）是具有抗菌活性和免疫及肠道屏障调节功能的肠道菌群代谢产物[24]。肝脏一级BA由胆固醇合成，由肠道微生物代谢生成二级BA，二级BA主要通过门静脉返回肝脏[25]。缺血后BA代谢异常，使回肠中Cyp27a1 mRNA、肝脏中甾体5-β-还原酶醛酮还原酶家族1成员D1（aldo-keto reductase family 1 member D1，AKR1D1）mRNA的表达增加，AKR1D1参与胆固醇代谢和皮质醇代谢的替代途径，加重了卒中后应激反应。此外，缺血降低了盲肠内二级和一级BA含量，可促进致病性共生微生物的过度生长[26]，从而促进卒中后肺炎的发生。

研究表明产丁酸盐肠道厌氧细菌的丰度较低是卒中后感染的一个独立预测因子[27-28]，进一步证明了肠道微生物在抵抗感染方面的重要性。丁酸盐可增强体外单核细胞和巨噬细胞的抗菌活性[29]，并增加体内细胞对呼吸道病原体的抗菌耐药性[30]。丁酸的免疫调节能力归因于其抑制循环白细胞内的组蛋白去乙酰化酶和mTOR信号通路的潜能，提供宿主对入侵病原体的平衡反应[31]。总之，产丁酸盐肠道细菌的减少与卒中及其相关感染有关。

2.3 肠道细菌易位与卒中后肺炎 卒中后小鼠肺中选择性共生细菌相对丰度的增加表明卒中导致宿主体内对肠道菌群的免疫或屏障防御系统受损。一项将共生菌粪肠球菌灌胃至GF小鼠，观察其在卒中诱导后的易位和传播情况的研究表明：在粪肠杆菌定植24 h后，卒中诱导的GF小鼠的粪肠球菌转位和播散到周围组织，包括肺、肝、脾[35]。此外，一项将大肠杆菌菌株ATCC700927（编号32）灌胃至SPF小鼠的实验表明，卒中后小鼠的血液及肺组织显示标记大肠杆菌培养阳性[36]。这些接种实验提供了卒中后宿主肠道菌群移位可引起卒中后感染的证据。

值得注意的是，任何来自肠道的病原体在进入体循环之前，都有可能通过门静脉被肝脏过滤。从肠道到肝脏的血液供应通过蜂窝状的肝窦渗透，其中血液流动减慢，从而使血源性抗原最大限度地暴露在肝脏细胞中[6]。卒中后细菌向肺的传播可能有多种途径，包括直接从小肠或间接从肠道经肝脏传播。然而，细菌易位和传播的机制是复杂的，且很大程度上是未知的。

3 肠道菌群调节在卒中后肺炎中的治疗效果

动物实验和临床研究结果表明，肠道菌群的易位和传播可能是卒中后感染的原因。因此，通过使用益生元、益生菌、合生元和来自正常供体的粪便细菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）来调节肠道菌群的健康状态以预防和治疗卒中后感染有望成为新的治疗策略[32]。动物实验发现，在卒中小鼠模型中，每天口服益生菌混合物（短双歧杆菌、干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和保加利亚乳杆菌），共14 d，可减轻小鼠肺炎的严重程度并显著改善神经功能缺损症状[33]。在卒中诱导模型中，FMT可减小病灶体积，减轻卒中后感染等并发症，改善卒中预后[34]。宏基因组学分析表明，FMT使卒中引起的肠道菌群失调正常化，并部分恢复了严重梗死小鼠的肠道微生物多样性。尽管上述研究表明益生菌、益生元和FMT有助于在卒中患者中建立良性循环，但FMT临床应用的不良反应还不明确，其有益作用的确切机制在很大程度上仍然是未知的，应进一步深入研究。

4 结论

肠道菌群被认为是卒中后感染的新途径，卒中后感染与来自宿主肠道微生物群的选择性菌株的传播有关，这些菌株可能在易位后具有致病性。卒中干扰了体内平衡的神经免疫代谢网络，使肠道上皮屏障抗性降低、肠道内补体和NF-κB激活、肠道调节性T细胞数量减少、肠道淋巴细胞向γδT细胞和辅助性T细胞1/辅助性T细胞17表型转移，增加肠道通透性，损害宿主抗菌能力和肠道屏障，促进共生细菌的移位和传播。总之，脑、免疫系统、肠道微生物之间的双向通信突出了卒中后微生物系统相互作用的复杂性，其相互作用的机制仍需进一步研究。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。